CN105043978B - 一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法属于机械检测技术领域，涉及一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法。实验方法中，被测件通过直线电机动子搭载，先进行直角切削、后进行摩擦系数测量实验。通过测量测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算其摩擦系数；使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板进行实验，揭示纤维角度对碳纤维复合材料摩擦系数的影响；调节直线电机的速度，记录切削速度对摩擦状态的影响；采用超景深显微镜对摩擦过程进行在线观察。本实验方法通过直角切削实验，对不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板的摩擦系数进行测量，实现对摩擦过程的在线观测，方法涉及内容全面、完整，易于操作。

Description

一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法

技术领域

本发明属于机械检测技术领域，涉及一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法。

背景技术

碳纤维复合材料轻质、高强，广泛应用于航空航天以及汽车制造等领域。尽管碳纤维复合材料相比传统材料而言具有很强的可设计性，然而由于装配需要，对其进行钻削、铣削等加工在所难免。碳纤维复合材料细观上呈由纤维、树脂、界面组成的混合态，由于树脂导热性能差，在复材制件特别是大厚度、大尺寸复材制件加工中,高强高硬纤维与刀具间摩擦作用强烈，摩擦产热多；然而，复材中基体导热性极差，热集聚明显，极易导致复材温度过高，而超过基体玻璃化温度后软化，加剧分层、撕裂等损失，以及粘刀严重而加剧刀具磨损。因此，复材加工损失及刀具磨损的理论及数值模拟研究中，必须充分考虑切削热影响。切削热分析的关键为准确描述复材切削过程中刀具与材料间摩擦状态以及摩擦系数的准确测量。然而，由于碳纤维增强树脂基复合材料细观上呈纤维、树脂、界面的混合态，宏观上呈非均质各向异性，造成切削过程中各纤维方向的去除机理不同，导致刀具与材料的接触状态不同。因此需充分考虑纤维角度以及已加工形貌的影响。然而，很难将此种情况下的摩擦状态进行等效，也很难准确测量其摩擦系数。

针对复合材料摩擦系数的测量这一问题，国内外已开展相关研究，通过使被测件回转，测头直线进给的方式测量了碳纤维复合材料的摩擦系数。然而，该方法未能反映不同纤维角度切削时已加工形貌所对应的刀具与材料之间的接触状态，而无法准确描述复材切削过程中的多种摩擦状态，其所获的摩擦系数不具有准确性和可靠性。Olga Klinkova等人发表的《Characterization of friction properties at the work material/cuttingtool interface during the machining of randomly structured carbon fibersreinforced polymer with carbide tools under dry conditions》一文在《TribologyInternational》2011年第44期第2050到2058页中，没有准确描述不同纤维角度切削时刀具与工件材料的接触状态，也没有反映出纤维角度对摩擦状态的影响，其所测摩擦系数在使用上具有局限性。此外，从细观层面看，直角切削过程作为切削加工过程的基本单元，可以直观清楚地反映出刀具与工件之间的作用关系，同时，使用直角切削能方便地描述出切削时刀具与复合材料之间所成的纤维角度，因此可将钻削与铣削过程中刀具与工件之间的摩擦问题等效到直角切削中去研究。因此，本发明提出一种虑及纤维角度对刀具与材料间相互作用影响的摩擦系数的测量方法，该方法通过直角切削获得任意纤维角度单向板已加工表面，进而等效复合材料切削加工过程中刀具与材料的实际接触状态，以准确获得能够反映真实摩擦状态的摩擦系数，为后续理论及仿真分析提供实验基础。

发明内容

本发明为解决现有技术的缺陷，发明了一种先通过直角切削获得任意纤维角度单向板已加工表面，再测量其摩擦系数的实验方法。该方法将被测件固定在直线电机的动子上，由直线电机动子带动被测件先进行直角切削，形成已加工表面；再利用测头划擦已加工表面以测定摩擦系数。通过调节微位移平台，可将刀具以及测头沿垂直于工件运动的方向进行微进给，从而调节直角切削切深，并能通过设定测头与已加工表面之间的接触深度施加预压力。测头通过专用夹具与测力仪相连，通过读取测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算得到碳纤维复合材料的摩擦系数。通过使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，测定摩擦系数与其纤维角度之间的关系。通过调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响。同时，利用超景深显微镜，可对其摩擦过程进行在线观察。方法涉及内容全面、完整，易于操作。

本发明采用的技术方案是一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法，其特征是，被测件通过直线电机动子搭载，先进行直角切削、后进行摩擦系数测量实验。通过测量测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算其摩擦系数。使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板进行实验，测定纤维角度对碳纤维复合材料摩擦系数的影响；调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响；采用超景深显微镜对摩擦过程进行在线观察。实验方法具体步骤如下：

1)搭建实验装置

将被测件4通过被测件夹具3安装在直线电机2的动子上，直线电机2通过T型螺栓安装在床身1上；右微位移平台9通过T型螺栓安装在床身1上，测力仪10通过螺栓安装在右微位移平台9上，测头专用夹具安装在测力仪10上面，测头专用夹具由夹具体16和夹具帽17组成，安装时将测头12装入夹具体16中，再将夹具帽17通过螺纹拧在夹具体16上；将刀具8通过刀具夹具7安装在垫块6上，垫块6通过螺栓安装在左微位移平台5上，左微位移平台5通过T型螺栓与床身1相连；垫块6用于调节刀具的安装高度，使得刀具与测头位于相同高度上；超景深显微镜15通过螺栓固定在连接板14上，连接板14通过螺栓安装在手动位移平台13上，手动位移平台13通过T型螺栓与床身1相连；

2)通过调节左微位移平台5，设置直角切削实验的切深。

3)通过调节右微位移平台9，设置摩擦过程中测头12与被测件4的接触深度。

4)接通超景深显微镜15的电源，调节手动位移平台13，使得超景深显微镜15的视场对准测头12。

5)接通直线电机2的电源，设定直线电机2的速度作为直角切削实验的切削速度。

6)通过超景深显微镜15观察摩擦过程，并通过测力仪10记录测头12受到的切向力F_t以及法向力F_n。

7)计算摩擦系数μ

根据6)中测得的切向力F_t以及法向力F_n求出表观摩擦系数μ_app：

再由式(2)计算出摩擦系数μ：

式中，A与D表示测头12与被测件4的有效接触面S_c沿YOZ平面投影的面积；B与C表示测头12与被测件4的有效接触面S_c沿XOY平面投影的面积，由于测头摩擦过的表面存在一定的纤维回弹量H，测头12与被测件4的有效接触面S_c如附图2所示，根据几何关系，求出：

其中，R为测头球面部分半径，a为测头12与被测件4的有效接触面S_c沿XOY平面投影所形成扇形的半径，ω为该扇形对应的劣弧圆心角的补角的1/2，r为测头12与被测件4的有效接触面S_c沿YOZ平面投影所形成扇形的半径；根据几何关系，得到：

实验中，a与ω根据上述定义测出，r通过式(5)计算得出；

8)更改直线电机2的动子的运动速度，测定不同运动速度时摩擦系数，重复步骤2-7，比较切削速度对摩擦状态的影响；

9)更换不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，重复步骤2-8；比较纤维方向对碳纤维复合材料切削过程中摩擦状态的影响；

10)更换测头，重复步骤2-9，比较不同测头的测量效果；

本发明的有益效果是通过直角切削实验，对不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板的摩擦系数进行测量，考虑了碳纤维复合材料由于各项异性导致的纤维角度对切削过程中刀具与工件的摩擦状态有影响的问题。通过改变直线电机速度以改变切削速度以讨论切削速度对摩擦状态的影响；通过更换测头比较不同测头的测量效果；借助超景深显微镜，实现对摩擦过程的在线观测。本实验方法中涉及的装置简单，功能全面，操作简单易行。

附图说明

图1为一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验装置，图2为摩擦实验中测头与样件接触示意图。

其中：1—床身，2—直线电机，3—被测件夹具，4—被测件，5—左微位移平台，6—垫块，7—刀具夹具，8—刀具，9—右微位移平台，10—测力仪，12—测头，13—手动位移平台，14—连接板，15—超景深显微镜，16—夹具体，17—夹具帽，H—纤维回弹量，R—测头球面部分半径，S_C—测头与被测件的有效接触面。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施。本发明先通过直角切削获得任意纤维角度单向板已加工表面，再测量其摩擦系数的实验方法。由于已加工表面形貌能反映出切削时不同纤维角度的刀具与工件间的接触状态，因此所测摩擦系数更接近真实摩擦状态。该方法将被测件固定在直线电机的动子上，由直线电机动子带动被测件先后经过刀具以及测头，即在完成直角切削后，形成已加工表面，进而利用测头划擦已加工表面以测定摩擦系数。通过调节微位移平台，可将刀具以及测头沿垂直于工件运动的方向进行微进给，从而调节直角切削切深，并能通过设定测头与已加工表面之间的接触深度施加预压力。测头通过专用夹具与测力仪相连，通过读取测头受到的切向力和法向力，利用有关公式计算得到碳纤维复合材料的摩擦系数。通过使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，测定摩擦系数与其纤维角度之间的关系。通过调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响。同时，利用超景深显微镜，对其摩擦过程进行在线观察。

在附图1中，床身1上安装有直线电机2、左微位移平台5、右微位移平台9以及手动位移平台13。被测件4被安装在直线电机23上的被测件夹具3中，先用刀具8完成对被测件4的直角切削，后经过测头12完成摩擦系数测量实验。直线电机2的运动速度可调节，参照钻削与铣削的实际切削速度，设定直线电机2的切削速度为1-10m/s；左微位移平台5可沿垂直于直线电机2动子运动的方向调节，用于调节直角切削实验的切深，其行程为0-150μm，开环和闭环的最小分辨率为0.2nm；右微位移平台9可沿垂直于直线电机2动子运动的方向调节，用于设定测头12与被测件4的接触深度，其行程为0-150μm，开环和闭环的最小分辨率为0.2nm；手动位移平台13通过连接板14搭载超景深显微镜15，其行程为20cm，用于调节超景深显微镜15的位置，使其视场中心正对测头12，以便清楚观察摩擦过程。超景深显微镜15的视场大小约为10³μm²。

实验方法的具体步骤如下：

第一步：安装实验装置

首先将直线电机2通过T型螺栓安装在床身1上，将被测件4固定在被测件夹具3中，再将被测件夹具3通过螺栓与直线电机2的动子相连；将右微位移平台9通过T型螺栓安装在床身1上，测力仪10通过螺栓安装在右微位移平台9上，测头专用夹具安装在测力仪10上面，测头专用夹具由夹具体16和夹具帽17组成，安装时将测头12装入夹具体16中，再将夹具帽17通过螺纹拧在夹具体16上。将左微位移平台5通过T型螺栓螺栓安装在床身1上，将刀具8通过刀具夹具7装夹，刀具夹具7通过螺栓安装在垫块6上，垫块6通过螺栓安装在左微位移平台5上；将手动位移平台13通过T型螺栓安装到床身1上，将超景深显微镜15用连接板14固定，将连接板14通过螺栓安装在手动位移平台13上。

第二步：调节左微位移平台5以设定直角切削实验切深，设定初始切深为30μm；调节右微位移平台9以设定摩擦实验中测头12与被测件4的接触深度，设定初始接触深度为10μm；

第三步：接通直线电机2的电源，通过设定直线电机2动子的运动速度以设定直角切削实验的切削速度，设定初始切削速度为1m/s，接通测力仪10的电源，测量测头12在摩擦过程中受到的切向力F_t以及法向力F_n；接通超景深显微镜15的电源，对摩擦过程进行在线观察。使用测头12的半径R＝2.5mm，测得F_t＝87N，F_n＝608N。

第四步：对测头12的表面进行显微观察，由于纤维回弹作用，摩擦实验时，测头12与被测件4的有效接触区域沿XOY平面的投影为一扇形，测得a＝2.14mm，ω＝69.5°。

用得到的F_t以及F_n，根据式(1)～(5)计算摩擦系数μ，即有：

根据以上各式，求得

第五步：更改直线电机2的速度，测定不同运动速度时摩擦系数，重复步骤二～四，比较切削速度对摩擦状态的影响。

第六步：更换不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，重复步骤二～五，比较纤维方向对碳纤维复合材料切削过程中摩擦状态的影响。

第七步：更换测头，重复步骤二～六，比较不同测头的测量效果。

本发明可以完成碳纤维复合材料摩擦系数的测量实验，并可实现对摩擦过程的在线观察。通过直线电机速度的调节，可实现在不同切削速度下的摩擦系数测量实验；通过使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，可探究不同纤维角度对摩擦系数的影响；通过更换测头，比较不同测头的测量效果；通过对超景深显微镜镜头的合理配置，可实现对摩擦过程的实时观察。综上，本发明可为研究碳纤维复合材料摩擦系数提供一套全面的测量方法，为后续的理论及模型分析提供充分的实验依据。

Claims (1)

1.一种碳纤维复合材料摩擦系数测量的实验方法，其特征是，实验方法中，被测件通过直线电机动子搭载，先进行直角切削、后进行摩擦系数测量实验；通过测量测头受到的切向力和法向力，利用公式计算其摩擦系数；使用不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板进行实验，测定纤维角度对碳纤维复合材料摩擦系数的影响；调节直线电机的速度，测定切削速度对摩擦状态的影响；采用超景深显微镜对摩擦过程进行在线观察；实验方法的具体步骤如下：

1)搭建实验装置

将被测件(4)通过被测件夹具(3)安装在直线电机(2)的动子上，直线电机(2)通过T型螺栓安装在床身(1)上；右微位移平台(9)通过T型螺栓安装在床身(1)上，测力仪(10)通过螺栓安装在右微位移平台(9)上，测头专用夹具安装在测力仪(10)上面，测头专用夹具由夹具体(16)和夹具帽(17)组成，安装时将测头(12)装入夹具体(16)中，再将夹具帽(17)通过螺纹拧在夹具体(16)上；将刀具(8)通过刀具夹具(7)安装在垫块(6)上，垫块(6)通过螺栓安装在左微位移平台(5)上，左微位移平台(5)通过T型螺栓与床身(1)相连；超景深显微镜(15)通过螺栓固定在连接板(14)上，连接板(14)通过螺栓安装在手动位移平台(13)上，手动位移平台(13)通过T型螺栓与床身(1)相连；

2)通过调节左微位移平台(5)，设置直角切削实验的切深；

3)通过调节右微位移平台(9)，设置摩擦过程中测头(12)与被测件(4)的接触深度；

4)接通超景深显微镜(15)的电源，调节手动位移平台(13)，使得超景深显微镜(15)的视场对准测头(12)；

5)接通直线电机(2)的电源，设定直线电机(2)的速度作为直角切削实验的切削速度；

6)通过超景深显微镜(15)观察摩擦过程，并通过测力仪(10)记录测头(12)受到的切向力F_t以及法向力F_n；

7)根据测得的切向力F_t以及法向力F_n求出表观摩擦系数μapp：

再由式(2)计算出摩擦系数μ：

式中，A与D表示测头(12)与被测件(4)的有效接触面(S_c)沿YOZ平面投影的面积；B与C表示测头(12)与被测件(4)的有效接触面(S_c)沿XOY平面投影的面积，由于测头摩擦过的表面存在一定的纤维回弹量(H)，测头(12)与被测件(4)的接触面为有效接触面(S_c)，根据几何关系求出：

其中，R为测头球面部分半径，a为测头(12)与被测件(4)的有效接触面(S_c)沿XOY平面投影所形成扇形的半径，ω为该扇形对应的劣弧圆心角的补角的1/2，r为测头(12)与被测件(4)的有效接触面(S_c)沿YOZ平面投影所形成扇形的半径；根据几何关系，得到：

实验中，a与ω根据上述定义测出，r通过公式(5)计算得出；

8)更改直线电机(2)的动子的运动速度，测定不同运动速度时摩擦系数，重复步骤2-7，比较切削速度对摩擦状态的影响；

9)更换不同纤维角度的碳纤维复合材料单向板，重复步骤2-8；比较纤维方向对碳纤维复合材料切削过程中摩擦状态的影响；

10)更换测头，重复步骤2-9，比较不同测头的测量效果。